第九章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、第九章第九章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術概述概述A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換概述概述9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術DAC和和ADC的的應應用用舉舉例例9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術DAC和和ADC的應用舉例的應用舉例MP3播放器：播放器：9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術DAC和和ADC的應用舉例的應用舉例數(shù)字溫度計：數(shù)字溫度計：9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術DAC和和ADC的應用舉例的應用舉例數(shù)字血壓計：數(shù)字血壓計：9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 在過程控制和信息處理中

2、，經(jīng)常會遇到一些連續(xù)變化的在過程控制和信息處理中，經(jīng)常會遇到一些連續(xù)變化的物理量，如物理量，如話音、溫度、壓力、流量話音、溫度、壓力、流量等，它們的量值都是等，它們的量值都是隨時間連續(xù)變化的。為了能使用數(shù)字電路處理模擬信號，隨時間連續(xù)變化的。為了能使用數(shù)字電路處理模擬信號，必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號，方能送入數(shù)字系必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號，方能送入數(shù)字系統(tǒng)進行處理。同時，還往往要求將處理后得到的數(shù)字信號統(tǒng)進行處理。同時，還往往要求將處理后得到的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換為相應的模擬信號作為最后的輸出。再轉(zhuǎn)換為相應的模擬信號作為最后的輸出。 圖圖9.1.1所示即為一個典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

3、：所示即為一個典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖：傳感器傳感器ADC數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)DAC圖圖9.1.1 9.1.1 典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖模擬控模擬控制器制器0110. .1100. .DAC和和ADC架起了數(shù)字電路與模擬電路之間的橋梁。架起了數(shù)字電路與模擬電路之間的橋梁。9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術圖圖9.1.2 9.1.2 自然加權(quán)二進制碼三位轉(zhuǎn)換器關系圖自然加權(quán)二進制碼三位轉(zhuǎn)換器關系圖 9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 一、任何一、任何ADC和和DAC的使用都是同其數(shù)字編碼形式密切的使用都是同其數(shù)字編碼形式密

4、切相關的。在轉(zhuǎn)換器的應用中，通常將數(shù)字表示為滿刻度相關的。在轉(zhuǎn)換器的應用中，通常將數(shù)字表示為滿刻度（FSR：Full Scale Range）模擬值的一個分數(shù)，稱為歸一化）模擬值的一個分數(shù)，稱為歸一化表示法。數(shù)字的最低有效位常用表示法。數(shù)字的最低有效位常用LSB（Least Significant Bit)表示，其對應的模擬量輸出為表示，其對應的模擬量輸出為 ，n是數(shù)字量的位數(shù)。是數(shù)字量的位數(shù)。 二、因二、因ADC要將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，所以要將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，所以模擬量和數(shù)字量之間不是一一對應的關系。顯然，模擬量和數(shù)字量之間不是一一對應的關系。顯然，ADC存在存在

5、著固有的轉(zhuǎn)換誤差，這種誤差稱為著固有的轉(zhuǎn)換誤差，這種誤差稱為量化誤差量化誤差。其量化值為。其量化值為:FSRn21LSB219.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術三、轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)三、轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) 分辨率（分辨率（S S） 指轉(zhuǎn)換器分辨模擬信號的靈敏度，也即對指轉(zhuǎn)換器分辨模擬信號的靈敏度，也即對最小電壓的最小電壓的分辨能力分辨能力, 一般一般S= ；或者用輸入數(shù)碼只有最低有效；或者用輸入數(shù)碼只有最低有效位為位為1時的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全時的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全1時輸出滿量程電壓之時輸出滿量程電壓之比來表示，即比來表示，即S= ；有時也常用；有時也常用位數(shù)位數(shù)n來表示轉(zhuǎn)換器的

6、來表示轉(zhuǎn)換器的分辨率。分辨率。 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 精度是轉(zhuǎn)換器實際特性曲線與理想特性曲線之間的最大精度是轉(zhuǎn)換器實際特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差。偏差。 誤差源：失調(diào)誤差、增益誤差和非線性誤差。誤差源：失調(diào)誤差、增益誤差和非線性誤差。 轉(zhuǎn)換速度（或時間）轉(zhuǎn)換速度（或時間）FSRn21121n9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術四、四、DACDAC的分類的分類 （1）按常見類型分：）按常見類型分： 權(quán)電阻網(wǎng)絡權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC 權(quán)電流型權(quán)電流型DAC 權(quán)電容網(wǎng)絡權(quán)電容網(wǎng)絡DAC 開關樹型開關樹型DAC 等等；等等； （2）按數(shù)字量的輸入方式分：）

7、按數(shù)字量的輸入方式分： 并行輸入并行輸入DAC 串行輸入串行輸入DAC9.1 9.1 概述概述數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術五、五、ADC的分類的分類 （1）按常見類型分：）按常見類型分： 直接直接ADC 間接間接ADC（如時間、頻率等）（如時間、頻率等） （2）按數(shù)字量的輸出方式分：）按數(shù)字量的輸出方式分： 并行輸出并行輸出ADC 串行輸出串行輸出ADC 9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換DACDAC轉(zhuǎn)換的基本原理：轉(zhuǎn)換的基本原理：圖圖9.2.1 9.2.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器示意圖數(shù)模轉(zhuǎn)換器示意圖nrefOVXV2/nnnnnDXXXX01211222其中：

8、9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 一般的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本組成可分為四部分，即：一般的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本組成可分為四部分，即：電阻電阻譯碼網(wǎng)絡譯碼網(wǎng)絡、模擬開關模擬開關、基準電壓源基準電壓源和和求和運算放大器求和運算放大器。圖圖9.2.2 9.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理圖數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理圖 目前使用最廣泛的目前使用最廣泛的D/A轉(zhuǎn)換技術有兩種：轉(zhuǎn)換技術有兩種：權(quán)電阻權(quán)電阻網(wǎng)絡網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換和T形電阻形電阻網(wǎng)絡網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 一個多位二進制數(shù)中每一位的一個多位二進制數(shù)中每一位的“1”所代表的數(shù)值大小所代表

9、的數(shù)值大小稱為這一位的稱為這一位的“權(quán)權(quán)”。下面即以圖。下面即以圖9.2.3為例分析權(quán)電阻網(wǎng)為例分析權(quán)電阻網(wǎng)絡絡DAC的轉(zhuǎn)換原理：的轉(zhuǎn)換原理：9.2.3 49.2.3 4位權(quán)電阻網(wǎng)絡位權(quán)電阻網(wǎng)絡DACDAC基準電壓源基準電壓源求和放大器求和放大器權(quán)電阻網(wǎng)絡權(quán)電阻網(wǎng)絡模擬開關模擬開關9.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡權(quán)電阻網(wǎng)絡D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術CMOSCMOS模擬開關電路模擬開關電路ididiiid9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術由電路分析可得：由電路分析可得：推論：推論：對于對于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡位的權(quán)電阻網(wǎng)絡D/

10、A轉(zhuǎn)換器，當反饋電轉(zhuǎn)換器，當反饋電阻取為阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式可寫為時，輸出電壓的計算公式可寫為結(jié)論：結(jié)論：輸出電壓輸出電壓正比于正比于輸入的數(shù)字量，從而輸入的數(shù)字量，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術此種電路：此種電路： 優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少；結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少； 缺點：缺點：各個電阻的阻值相差較大，尤其在位數(shù)較多時。各個電阻的阻值相差較大，尤其在位數(shù)較多時。改進方法（一）：改進方法（一）：采用雙級權(quán)電阻網(wǎng)絡。采用雙級權(quán)電阻網(wǎng)絡。如下例：如下例：如何

11、求解？如何求解？9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術9.2.2 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器優(yōu)點：優(yōu)點：可更好地克服權(quán)電阻網(wǎng)絡可更好地克服權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC中電阻阻值相差太中電阻阻值相差太大的缺點。大的缺點。例：例：9.2.4 9.2.4 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DACDAC9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術該電路電阻網(wǎng)絡的等效電路如下：該電路電阻網(wǎng)絡的等效電路如下：9.2.5 9.2.5 計算倒計算倒T T形電阻網(wǎng)絡支路電流的等效電路形電阻網(wǎng)絡支路電流的等效電路9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字

12、電子技術推論：推論：對對n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC,在求和放大在求和放大器的反饋電阻阻值為器的反饋電阻阻值為R的條件下的條件下,輸出模擬電壓的計算輸出模擬電壓的計算公式為公式為:由電路分析由電路分析,可得輸出電壓為：可得輸出電壓為：9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術例例: 采用倒采用倒T形電阻網(wǎng)絡的單片集成形電阻網(wǎng)絡的單片集成DAC-CB7520電路原理圖：電路原理圖：圖圖9.2.6 DACCB75209.2.6 DACCB7520電路原理圖電路原理圖9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術【例【例1 1】 下圖是用下圖是用

13、CB7520CB7520和和74LS16174LS161組成的波形發(fā)生器電路。已組成的波形發(fā)生器電路。已知知CB7520CB7520的的V VREFREF=-10V=-10V，試畫出輸出電壓，試畫出輸出電壓V V0 0的波形，并標出波形圖的波形，并標出波形圖上各點電壓的幅度。上各點電壓的幅度。9.2.7 DACCB75209.2.7 DACCB7520應用舉例應用舉例9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術9.2.3 權(quán)電流型權(quán)電流型D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 在權(quán)電阻網(wǎng)絡在權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC和倒和倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC中的模擬開關在實中的模擬開關在實際應用中，總存在一

14、定的際應用中，總存在一定的導通電阻和導通壓降導通電阻和導通壓降，而且每個開關的，而且每個開關的情況又不完全相同，所以它們的存在無疑會引起轉(zhuǎn)換誤差，影響情況又不完全相同，所以它們的存在無疑會引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度。 權(quán)電流型權(quán)電流型DAC可有效的解決這一問題。其示意圖如下：可有效的解決這一問題。其示意圖如下：圖圖9.2.8 9.2.8 權(quán)電流型權(quán)電流型DACDAC9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術恒流源電路常使用圖恒流源電路常使用圖9.2.9所示的電路結(jié)構(gòu)形式：所示的電路結(jié)構(gòu)形式：圖圖9.2.9 9.2.9 權(quán)電流型權(quán)電流型DACDAC中的恒流源中的恒流源

15、對應的輸出電壓為：對應的輸出電壓為：9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 在實際應用的權(quán)電流型在實際應用的權(quán)電流型DAC中經(jīng)常利用中經(jīng)常利用倒倒T形電阻網(wǎng)絡的形電阻網(wǎng)絡的分流作用分流作用產(chǎn)生所需要的一組恒流源，如圖產(chǎn)生所需要的一組恒流源，如圖9.2.10 所示：所示：圖圖9.2.10 9.2.10 利用倒利用倒T T形電阻網(wǎng)絡的權(quán)電流型形電阻網(wǎng)絡的權(quán)電流型DACDAC9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術由電路分析知：由電路分析知：推論：推論：對于輸入對于輸入n位二進制數(shù)碼的這種電路結(jié)構(gòu)的位二進制數(shù)碼的這種電路結(jié)構(gòu)的DAC，輸出，輸出 電壓的計算公

16、式可寫成：電壓的計算公式可寫成：9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 采用這種權(quán)電流型采用這種權(quán)電流型DAC電路生產(chǎn)的單片集成電路生產(chǎn)的單片集成DAC有有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。這些器件都采用等。這些器件都采用雙極型工藝制作，工作速度很高。雙極型工藝制作，工作速度很高。圖圖9.2.11 DAC08089.2.11 DAC0808的電路結(jié)構(gòu)框圖的電路結(jié)構(gòu)框圖9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術圖圖9.2.12 DAC08089.2.12 DAC0808的典型應用的典型應用9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字

17、電子技術9.2.4 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 前面講的前面講的DAC輸出電壓都是單極性的，得不到正、輸出電壓都是單極性的，得不到正、負極性的輸出電壓。而具有雙極性輸出的負極性的輸出電壓。而具有雙極性輸出的DAC能夠能夠把把以補碼形式輸入以補碼形式輸入的正負數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正負極性的的正負數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正負極性的模擬電壓。模擬電壓。 下面以輸入為下面以輸入為3位二進制補碼的情況為例，說明位二進制補碼的情況為例，說明轉(zhuǎn)換的原理。轉(zhuǎn)換的原理。9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術符號位符號位數(shù)值位數(shù)值位表表7-2-1 7-2-1 輸入為輸入為3 3位二進位二

18、進制補碼時要求制補碼時要求DACDAC的輸出的輸出表表7-2-2 7-2-2 具有偏移具有偏移的的DACDAC的輸出的輸出9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術其中，由其中，由RB和和VB組成偏移電路，門組成偏移電路，門G完成符號位的取反。完成符號位的取反。為使輸入代碼為為使輸入代碼為000時的輸出電壓等于零，需使下式成立：時的輸出電壓等于零，需使下式成立： 圖圖9.2.13 具有雙極性輸出電壓的具有雙極性輸出電壓的DAC偏移電路偏移電路符號取反符號取反9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術9.2.5 D/AD/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)

19、換精度與轉(zhuǎn)換速度一、一、DACDAC的轉(zhuǎn)換精度的轉(zhuǎn)換精度 在在DAC中通常用中通常用分辨率分辨率和和轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差來描述來描述轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度。 由于由于DAC的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)和性能上和理論值之間不的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)和性能上和理論值之間不可避免的存在著差異，所以實際能達到的轉(zhuǎn)換精度要由可避免的存在著差異，所以實際能達到的轉(zhuǎn)換精度要由轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換誤差換誤差來決定。來決定。 表示由各種因素引起的轉(zhuǎn)換誤差的一個綜合性指標稱表示由各種因素引起的轉(zhuǎn)換誤差的一個綜合性指標稱為為線性誤差線性誤差。線性誤差表示實際的。線性誤差表示實際的D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，如圖換特性之間的最大

20、偏差，如圖9.2.11 所示。線性誤差一般所示。線性誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示。用最低有效位的倍數(shù)表示。9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術圖圖9.2.11 DAC9.2.11 DAC的轉(zhuǎn)換特性曲線的轉(zhuǎn)換特性曲線9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術造成造成DAC轉(zhuǎn)換誤差的原因有轉(zhuǎn)換誤差的原因有: * 參考電壓參考電壓VREF的波動的波動 * 運算放大器運算放大器的零點漂移的零點漂移 * 模擬開關模擬開關的導通內(nèi)阻和導通壓降的導通內(nèi)阻和導通壓降 * 電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡中電阻阻值的偏差中電阻阻值的偏差 * 三極管特性的不一致三極管特性的不一致 等等

21、。等等。9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術由不同因素所導致的轉(zhuǎn)換誤差各有不同的特點：由不同因素所導致的轉(zhuǎn)換誤差各有不同的特點： 1）若）若VREF偏離標準值偏離標準值VREF，則由，則由VREF引起的引起的轉(zhuǎn)換誤差叫做轉(zhuǎn)換誤差叫做比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差，用，用VO1表示。圖表示。圖9.2.12中虛線表示出了當中虛線表示出了當VREF一定時一定時VO值偏離理論值的情值偏離理論值的情況。況。圖圖9.2.12 9.2.12 比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術2）由運算放大器的零點漂移造成的輸出電壓誤差叫）由運算放大器的零點

22、漂移造成的輸出電壓誤差叫做做漂移誤差漂移誤差或或平移誤差平移誤差，用，用VO2表示，如圖表示，如圖9.2.13中虛線所示：中虛線所示：圖圖9.2.13 9.2.13 漂移誤差漂移誤差9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術3）由于）由于模擬開關的導通內(nèi)阻和導通壓降都不可能真正等于零模擬開關的導通內(nèi)阻和導通壓降都不可能真正等于零，因而它們的存，因而它們的存在也必將在輸出端產(chǎn)生誤差電壓在也必將在輸出端產(chǎn)生誤差電壓VO3，這種性質(zhì)的誤差叫做，這種性質(zhì)的誤差叫做非線性誤差非線性誤差。4）產(chǎn)生非線性誤差的另一個原因是）產(chǎn)生非線性誤差的另一個原因是電阻網(wǎng)絡中電阻阻值的偏差電阻網(wǎng)絡中電阻

23、阻值的偏差，其中也包含，其中也包含了模擬開關導通電阻所帶來的誤差。在輸出端產(chǎn)生的誤差電壓了模擬開關導通電阻所帶來的誤差。在輸出端產(chǎn)生的誤差電壓VO4與輸入與輸入數(shù)字量之間也是一種數(shù)字量之間也是一種非線性關系非線性關系。這兩種誤差示于圖這兩種誤差示于圖9.2.14中。中。圖圖9.2.14 9.2.14 非線性誤差非線性誤差9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 因為這幾種誤差電壓之間不存在固定的函數(shù)關系，所以最因為這幾種誤差電壓之間不存在固定的函數(shù)關系，所以最壞的情況下輸出總的誤差電壓等于它們的絕對值相加，即壞的情況下輸出總的誤差電壓等于它們的絕對值相加，即說明：說明：為獲

24、得高精度的為獲得高精度的DAC，單純依靠選用高分辨率的，單純依靠選用高分辨率的DAC器器件是不夠的，還必須具有高穩(wěn)定度的參考電壓源件是不夠的，還必須具有高穩(wěn)定度的參考電壓源VREF和低漂移和低漂移的運算放大器與之配合使用，才可能獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。的運算放大器與之配合使用，才可能獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。 以上討論的都是靜態(tài)誤差，對于動態(tài)誤差，可在以上討論的都是靜態(tài)誤差，對于動態(tài)誤差，可在DAC的輸?shù)妮敵龆烁郊映龆烁郊硬蓸硬蓸颖３蛛娐繁３蛛娐?。【例【? 2】在圖在圖9.2.69.2.6的倒的倒T T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡(CB7520)DAC(CB7520)DAC中，外接參中，外接參考電壓考電壓V

25、VREFREF=-10V=-10V。為保證。為保證V VREFREF偏離標準值所引起的最大誤差小偏離標準值所引起的最大誤差小于于1/2LSB1/2LSB，試計算，試計算V VREFREF的相對穩(wěn)定度應取多少的相對穩(wěn)定度應取多少? ?9.2 D/A9.2 D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術圖圖9.2.18 DAC9.2.18 DAC的建立時間的建立時間二、二、DACDAC的轉(zhuǎn)換速度的轉(zhuǎn)換速度 通常用通常用建立時間建立時間tset 來定量描述來定量描述DAC的轉(zhuǎn)換速度。的轉(zhuǎn)換速度。 建立時間建立時間tset是這樣定義的：是這樣定義的：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓

26、進入與穩(wěn)態(tài)值相差變開始，直到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)值相差1/2LSB范圍范圍以內(nèi)的這段時間，稱為建立時間以內(nèi)的這段時間，稱為建立時間tset，如圖所示：如圖所示：9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換應用舉例：轉(zhuǎn)換應用舉例：01001101ADC010111CCD陣列陣列+ADC0101119.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 A/DA/D轉(zhuǎn)換的基本原理：轉(zhuǎn)換的基本原理：nrefinVVX2，其中，其中BVnref2為為n位位ADC參考量，則參考量，則BVXin 通常通常A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)n越大，誤差越小。越大，誤差

27、越小。 要實現(xiàn)將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，要實現(xiàn)將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，需經(jīng)過四個步驟：需經(jīng)過四個步驟：采樣、保持、量化、編碼采樣、保持、量化、編碼，一般前，一般前兩步由采樣兩步由采樣-保持電路完成，量化和編碼由保持電路完成，量化和編碼由ADC完成。完成。圖圖9.3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換示意圖模數(shù)轉(zhuǎn)換示意圖9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術一、取樣定理一、取樣定理9.3.3所示。通常取所示。通常取fs=（35）fi(max)即可滿足要求。即可滿足要求。圖圖9.3.2 對輸入模擬信號的取樣對輸入模擬信號的取樣圖圖9.3.3 還原取樣信號所用濾波器的頻率特性還

28、原取樣信號所用濾波器的頻率特性9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術二、量化與編碼二、量化與編碼 量化量化 將采樣保持電路輸出的樣值電平歸化到與之相接近的將采樣保持電路輸出的樣值電平歸化到與之相接近的離散數(shù)字電平。離散數(shù)字電平。 量化單位量化單位 把取樣電壓表示為某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個把取樣電壓表示為某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個最小數(shù)量單位叫最小數(shù)量單位叫量化單位量化單位，用，用表示，顯然，表示，顯然，=1LSB。 編碼編碼 把量化的結(jié)果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進把量化的結(jié)果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來。制）表示出來。 量化誤差量化

29、誤差 將模擬電壓信號劃分為不同的量化等級時采用的方法不將模擬電壓信號劃分為不同的量化等級時采用的方法不同，其量化誤差也不同。同，其量化誤差也不同。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術圖圖9.3.4 9.3.4 劃分量化電平的兩種不同方法的比較劃分量化電平的兩種不同方法的比較只舍不入只舍不入有舍有入有舍有入9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術9.3.1 采樣采樣- -保持電路保持電路圖圖9.3.5 采樣器及波形圖采樣器及波形圖 所謂所謂采樣采樣，即將一個時間上，即將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬量。采樣

30、需遵循采樣離散的模擬量。采樣需遵循采樣定理。定理。 所謂所謂保持保持，即將樣值脈沖的，即將樣值脈沖的幅度，也就是采樣期間的幅度，也就是采樣期間的Vi（t）保持下來，直到下次采樣。保持下來，直到下次采樣。 采樣采樣保持的精度及性能極保持的精度及性能極大地影響大地影響A/D轉(zhuǎn)換器的精度。轉(zhuǎn)換器的精度。 通常將采樣器和保持電路總通常將采樣器和保持電路總稱為稱為采樣采樣保持電路保持電路。圖。圖9.3.6給給出了兩種采樣出了兩種采樣保持電路及輸出保持電路及輸出波形圖。波形圖。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術這兩種電路的共同這兩種電路的共同缺點缺點：采樣速度比較慢。：采樣速度比

31、較慢。圖圖9.3.6 兩種采樣兩種采樣-保持電路及輸出波形保持電路及輸出波形采樣采樣保持保持R1=R29.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術采樣保持改進實用電路：采樣保持改進實用電路：電壓跟隨器電壓跟隨器9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術實例實例：單片集成取樣：單片集成取樣保持電路保持電路LF198。圖圖9.3.7 9.3.7 集成采樣集成采樣- -保持電路保持電路LF198LF198（a a）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu) （b b）典型接法）典型接法課外閱讀課外閱讀9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 A/D轉(zhuǎn)換器的分類：轉(zhuǎn)換器的

32、分類：ADC直接直接ADC間接間接ADCV-T變換型變換型V-F變換型變換型并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型反饋比較型反饋比較型計數(shù)型計數(shù)型逐次漸近型逐次漸近型雙積分型雙積分型9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術9.3.2 直接直接ADCADC 直接直接ADC能把輸入的模擬電壓信號能把輸入的模擬電壓信號直接轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量。常用為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量。常用的有的有并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型和和反饋比較型反饋比較型兩類。兩類。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術一、并聯(lián)比較型一、并聯(lián)比較型ADCADC圖圖9.3.8 9.3.

33、8 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADCADC電路圖電路圖9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術表表7-3-1 圖圖9.3.8電路的代碼轉(zhuǎn)換表電路的代碼轉(zhuǎn)換表如何設計代碼如何設計代碼轉(zhuǎn)換電路？轉(zhuǎn)換電路？9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術影響并聯(lián)比較型影響并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度的主要因素轉(zhuǎn)換精度的主要因素： * 量化電平（量化電平（）的劃分）的劃分，這是主要因素；，這是主要因素； * 參考電壓參考電壓VREF的穩(wěn)定度；的穩(wěn)定度； * 分壓電阻相對精度；分壓電阻相對精度； * 電壓比較器靈敏度，等等。電壓比較器靈敏度，等等。并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A

34、DC的主要的主要優(yōu)點優(yōu)點： * 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快：如：如8位輸出的轉(zhuǎn)換時間可達位輸出的轉(zhuǎn)換時間可達50ns以下；以下； * 含有比較器和寄存器的含有比較器和寄存器的ADC可不附加可不附加采樣采樣-保持電路。保持電路。并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC的主要的主要缺點缺點： * 需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器：如：如n位二進制代碼轉(zhuǎn)換位二進制代碼轉(zhuǎn)換 器器中應當有中應當有2n-1個電壓比較器和個電壓比較器和2n-1個觸發(fā)器，個觸發(fā)器，電路相當龐大電路相當龐大。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術二、反饋比較型二、反饋比較型ADCADC 工作原理：

35、工作原理：取一個數(shù)字量取一個數(shù)字量加到加到DAC上，于是得到上，于是得到一個對應的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的一個對應的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的模擬電壓信號相比較。若兩者不等，則調(diào)整所取的數(shù)模擬電壓信號相比較。若兩者不等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。 反饋比較型反饋比較型ADC常采用常采用計數(shù)型計數(shù)型和和逐次漸近型逐次漸近型兩種兩種方案。方案。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術（一）計數(shù)型反饋比較型（一）計數(shù)型反饋比較型

36、ADCADC圖圖9.3.9 9.3.9 計數(shù)型計數(shù)型ADCADC電路工作原理圖電路工作原理圖這種電路的這種電路的優(yōu)點優(yōu)點：電路非常簡單電路非常簡單。 缺點缺點：轉(zhuǎn)換時間太長轉(zhuǎn)換時間太長。如當輸出為。如當輸出為n位二進制數(shù)碼時，位二進制數(shù)碼時，最長的轉(zhuǎn)換時間可達（最長的轉(zhuǎn)換時間可達（2n-1）倍的時鐘信號周期。）倍的時鐘信號周期。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術例例7-3-1 7-3-1 計數(shù)型計數(shù)型ADCADC電路分析計算電路分析計算某計數(shù)型某計數(shù)型ADCADC電路如下圖所示。其中，計數(shù)器為電路如下圖所示。其中，計數(shù)器為8 8位二進制加法計數(shù)器，位二進制加法計數(shù)器，

37、已知時鐘已知時鐘CPCP的頻率的頻率f=100kHzf=100kHz。1 1、試問完成一次最長的、試問完成一次最長的A/DA/D轉(zhuǎn)換需要多少時間？轉(zhuǎn)換需要多少時間？2 2、若已知、若已知8 bit DAC8 bit DAC的最高輸出電壓為的最高輸出電壓為9.18V9.18V，當，當V VI I=5.410V=5.410V時，電路的時，電路的輸出狀態(tài)輸出狀態(tài)D=QD=Q7 7Q Q6 6QQ0 0是什么？完成這次轉(zhuǎn)換所需的時間是多少？是什么？完成這次轉(zhuǎn)換所需的時間是多少？9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術（二）逐次漸近型反饋比較型（二）逐次漸近型反饋比較型ADCADC圖

38、圖9.3.10 9.3.10 逐次漸近型逐次漸近型ADCADC電路工作原理圖電路工作原理圖9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術例：例：圖圖9.3.11 3位位逐次漸近型逐次漸近型ADC的電路原理圖的電路原理圖9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術逐次漸近型逐次漸近型ADC的的優(yōu)點優(yōu)點： * 轉(zhuǎn)換速度雖比并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度雖比并聯(lián)比較型ADC低，卻比計數(shù)型低，卻比計數(shù)型ADC快得多。如快得多。如n位逐次漸近型位逐次漸近型ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間僅為完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間僅為（n+2）個時鐘信號周個時鐘信號周期的時間。期的時間。 * 逐次漸近型逐次

39、漸近型ADC的電路規(guī)模比并聯(lián)比較型小得多。的電路規(guī)模比并聯(lián)比較型小得多。 * 逐次漸近型逐次漸近型ADC是目前集成是目前集成ADC產(chǎn)品產(chǎn)品中中用得最多用得最多的一種電路。的一種電路。例例7-3-2 7-3-2 逐次漸近型逐次漸近型ADCADC電路分析計算電路分析計算某逐次漸近型某逐次漸近型ADCADC電路原理框圖如下圖（電路原理框圖如下圖（a a）所示。）所示。1 1、試說明逐次漸近型、試說明逐次漸近型ADCADC完成一次轉(zhuǎn)換需要多少時間？完成一次轉(zhuǎn)換需要多少時間？2 2、若已知、若已知8 bit DAC8 bit DAC的最高輸出電壓的最高輸出電壓Vo(max)=9.945VVo(max)=

40、9.945V，時鐘頻率，時鐘頻率f=100kHzf=100kHz，當，當V VI I=6.436V=6.436V時，電路的輸出狀態(tài)時，電路的輸出狀態(tài)D=QD=Q7 7Q Q6 6QQ0 0是什么？完成是什么？完成這次轉(zhuǎn)換的時間是多少？這次轉(zhuǎn)換的時間是多少？3 3、V VI I和和V VO O的波形如圖中（的波形如圖中（b b）所示，對應的電路的輸出狀態(tài)是什么？）所示，對應的電路的輸出狀態(tài)是什么？9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術（a）（b）9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術9.3.3 間接間接ADCADC 目前使用的間接目前使用的間接ADC大

41、多都屬于電壓大多都屬于電壓-時間變換型（時間變換型（V-T變換型變換型）和電壓）和電壓-頻率變換型（頻率變換型（V-F變換型變換型）兩類。）兩類。 在在V-T變換型變換型ADC中，首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)中，首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的換成與之成正比的時間寬度信號時間寬度信號，然后在這個時間寬度里，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)結(jié)果計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。擬電壓的數(shù)字信號。 在在V-F變換型變換型ADC中，則首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)中，則首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的換成與之成正比的頻

42、率信號頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數(shù)，所得的計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模對得到的頻率信號計數(shù)，所得的計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。擬電壓的數(shù)字信號。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術一、雙積分型一、雙積分型V-TV-T變換型變換型ADCADC圖圖9.3.129.3.12雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術圖圖9.3.13 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技

43、術數(shù)字電子技術 為實現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，可用下圖所示的邏輯電路來完成。為實現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，可用下圖所示的邏輯電路來完成。 由圖可見，控制邏輯電路由一個由圖可見，控制邏輯電路由一個n位計數(shù)器、附加觸發(fā)器位計數(shù)器、附加觸發(fā)器FFA、模擬開、模擬開關關S0和和S1的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路L0和和L1、控制門、控制門G所組成。所組成。圖圖9.3.14 9.3.14 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的控制邏輯電路轉(zhuǎn)換器的控制邏輯電路9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點優(yōu)點： 最突出的優(yōu)點是最突出的優(yōu)點是工作性能比較穩(wěn)定

44、工作性能比較穩(wěn)定。 表現(xiàn)在：只要在兩次積分期間表現(xiàn)在：只要在兩次積分期間R R、C C的參數(shù)相同，則轉(zhuǎn)換結(jié)果的參數(shù)相同，則轉(zhuǎn)換結(jié)果與與R R、C C的參數(shù)無關；在取的參數(shù)無關；在取T T1 1=NT=NTC C的情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果與時鐘信號周期的情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果與時鐘信號周期無關。所以完全可以用精度比較低的元器件制成精度很高的雙積無關。所以完全可以用精度比較低的元器件制成精度很高的雙積分型分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 另一個優(yōu)點是另一個優(yōu)點是抗干擾能力比較強抗干擾能力比較強。 因為轉(zhuǎn)換器的輸入端使用了積分器，所以對因為轉(zhuǎn)換器的輸入端使用了積分器，所以對平均值為零平均值為零的各的各種噪聲有很強的抑

45、制能力。在積分時間等于交流電網(wǎng)周期的整數(shù)種噪聲有很強的抑制能力。在積分時間等于交流電網(wǎng)周期的整數(shù)倍時，能有效地抑制來自電網(wǎng)的工頻干擾。倍時，能有效地抑制來自電網(wǎng)的工頻干擾。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術 主要缺點是主要缺點是工作速度低工作速度低。完成最長一次轉(zhuǎn)換所需。完成最長一次轉(zhuǎn)換所需的時間為：的時間為：Tmax=(2n+1-1)Tcp ，轉(zhuǎn)換速度一般都在，轉(zhuǎn)換速度一般都在每秒幾十次以內(nèi)。每秒幾十次以內(nèi)。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的缺點缺點：影響雙積分型影響雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度的主要因素轉(zhuǎn)換精度的主要因素： 計數(shù)器的位數(shù)；計數(shù)器的位

46、數(shù)； 比較器的靈敏度；比較器的靈敏度； 運算放大器和比較器的零點漂移；運算放大器和比較器的零點漂移； 積分電容的漏電；積分電容的漏電； 時鐘頻率的瞬時波動：多采用晶振作脈沖源；時鐘頻率的瞬時波動：多采用晶振作脈沖源； 等等。等等。9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術數(shù)字電子技術例例7-3-3 7-3-3 雙積分型雙積分型ADCADC電路分析計算電路分析計算某雙積分型某雙積分型ADCADC電路原理框圖如下圖所示。電路原理框圖如下圖所示。1 1、試導出電路的輸出與輸入量之間的關系。、試導出電路的輸出與輸入量之間的關系。2 2、若已知計數(shù)器的位長為、若已知計數(shù)器的位長為10bit10bit，T Tcpcp=10s=10s，-V-Vrefref=-12V=-12V，在，在V VI I=+3V=+3V時，完成轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)是什么？完成這次轉(zhuǎn)換的時間是多少？時，完成轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)是什么